Контрольная работа по "материаловедению"

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа по материаловедению

 

 

1. Пружина из стали 75 после правильно выполненной закалки и последующего отпуска имеет твёрдость значительно выше, чем это предусматривается техническими условиями. Чем вызван этот дефект и как можно его исправить? Укажите структуру и твёрдость, которые обеспечивают высокие упругие свойства пружин.

Дефекты и способы их устранения:

1. Недостаточная твердость после отпуска может быть вызвана следующими причинами:

Пониженной температурой закалки (выявляется микроанализом), вследствие чего образуется недостаточно легированный мартенсит.

Низким нагревом при отпуске (эта причина может быть выявлена магнитным анализом). Дефект, возникающий в результате этих причин, устраняется, соответственно, отжигом и последующими правильной закалкой и отпуском или правильным отпуском.

Обезуглероживанием и порчей теплостойкости.

2. Порча теплостойкости возникает в результате очень длительного или многократного нагрева выше Ас1 вследствие обогащения карбидов М6С вольфрамом, что уменьшает их растворимость при закалке, вследствие чего получается недостаточно легированный мартенсит. Выявляется по снижению вторичной твердости или теплостойкости. Данный дефект предотвращается соблюдением определенной области нагрева температур и длительности т.о.

3. Повышается хрупкость. Определяется по излому − крупнозернистый. Образуется из-за значительного превышения температуры нагрева при закалке или излишне длительной выдержке. Этот брак исправляется также, как и при недостаточной твердости.

4. Нафталинистый излом.

5. Окисление и обезуглероживание.

Упрочнение методами пластической деформации

Местной упрочняющей обработке пластической деформации подвергаются детали различных форм, размеров и назначений, изготовленные из различных конструкционных материалов − сталей, чугунов, алюминиевых и титановых сплавов и т. п. Особую группу составляют так называемые, "маложесткие детали" − панели, профили, дуги, которые требуют повышенного внимания в процессе упрочнения. Такие детали упрочняют на вибрационных, барабанных или дробеструйных установках с последующим доупрочнением отдельных, особо ответственных или неупрочненных участков средствами местного упрочнения. Силовые детали − цилиндры, балки, коленчатые валы, стойки, рычаги и т. п. − обычно упрочняются поверхностным наклепом как по всем поверхностям, так и по отдельным, заранее определенным участкам. Наиболее часто местному поверхностному упрочнению подвергаются зоны концентрации напряжений (отверстия, шлицы, резьбы, галтели, пазы); а также участки, недоступные при упрочнении в вибрационных, ударно-барабанных, дробеструйных и других подобных установках, а также места деталей, которые после упрочнения поверхности подвергаются последующей механической обработке, приводящей к частичной потере упрочненного слоя.

В настоящее время достаточно широкое распространение получила классификация поверхностей по группам сложности, подвергаемых местному поверхностному упрочнению:

1 группа − плоскости (сплошные, с вырезами, с выступами).

2 группа − отверстия (прямолинейные и криволинейные, цилиндрические, конусные и фасонные); отверстия круглого и произвольного сечения.

3 группа − сложные поверхности (поверхности двойной кривизны, несквозные глубокие отверстия, окантовки и ребра жесткости, резьбовые и шлицевые поверхности).

4 группа − сопряженные поверхности, пересечения плоских, сложных или цилиндрических поверхностей, пересечения плоской и цилиндрической поверхностей, фаски и скосы.

Как видно из приведенной классификации, поверхности подвергаемые упрочнению, достаточно разнообразны, и поэтому в качестве параметра, определяющего способ и технологию поверхностного упрочнения, принято принимать именно форму изделия и тип упрочняемой поверхности. Еще одним фактором, влияющим на выбор способа упрочняющей обработки, являются требования по шероховатости обработанной поверхности. В зависимости от способа упрочнения шероховатость после упрочнения может или уменьшаться (например, раскатка отверстий), или увеличиваться (например, дробеструйная обработка). Способы поверхностного упрочнения могут быть классифицированы по ряду признаков: по скорости деформирования (статические, динамические и комбинированные); по виду трения в контакте инструмента с деталью (контактное вдавливание, трение скольжения, трение качения, трение качения с проскальзыванием); по условиям трения в контакте с обрабатываемой поверхностью (сухое и со смазкой); по форме деформирующих тел (шарики, ролики, тела произвольной формы); по связи деформирующих тел с источниками энергии и движения (с жесткой связью, с упругой связью, с эластичной связью, с отсутствием связи); по способу передачи энергии деформируемым телам (механический, пневматический, гидравлический, электромагнитный, взрывной, комбинированный). Предложенная классификация способов местного поверхностного упрочнения соответствует требованиям ГОСТ 18296-92 и практически полностью охватывает все способы поверхностного упрочнения деталей. Целесообразность выбора того или иного способа поверхностного упрочнения зависит от ряда факторов формы и геометрических размеров обрабатываемых поверхностей, наличия на предприятии того или иного типа оборудования. Интересные результаты дал метод экспертных оценок (метод анкетирования), результаты которого приведены в работах Б.П. Рыковского и др. На основании анкетирования и применения метода экспертных оценок авторами была предложена схема приоритетности применения того или иного метода для обработки деталей различных групп сложности. Всего ими было проанализировано до 30% от всех типов деталей, подвергающихся поверхностному упрочнению в отечественной промышленности. Предлагаемые методы расположены по порядку, по степени снижения приоритетности для каждой из групп деталей:

1 группа − плоскости − обработка дробью (дробеструйная обработка и пневмодинамическая обработка), накатывание, выглаживание, центробежная обработка, обработка механическими щетками;

2 группа − отверстия − раскатывание, дорнование, выглаживание, чеканка, обработка дробью, центробежная обработка;

3 группа − сложные поверхности − обработка дробью, накатывание, выглаживание, обработка механическими щетками, чеканка;

4 группа − обработка дробью, накатывание, выглаживание, обработка механическими щетками, чеканка.

Интенсивность поверхностной упрочняющей обработки контролируют по изменению физико-механических свойств и состояния поверхностных слоев образцов-свидетелей, изготовленных из тех же материалов, что и обрабатываемый материал. Форма и размеры таких образцов могут быть различны и зависят, в основном, от метода поверхностного упрочнения. Так например, для самого распространенного метода поверхностного упрочнения − обработки дробью используются плоские пластины, а в качестве параметра, определяющего интенсивность поверхностного упрочнения, принимается величина прогиба обработанной с одной стороны пластины.

 

Таблица 1. Размеры и величины прогибов образцов-свидетелей при обработке поверхностей деталей дробью

Материалы	Размеры пластины, мм		Прогиб, мм
	Длина и ширина	Толщина
Сталь	100 × 19	1,3 ± 0,03	2,0-3,5
Алюминиевые сплавы	100 × 19	2,0 ± 0,1	1,4-1,6
Титановые сплавы	100 × 19	1,3 ± 0,03	1,2-1,6

 

Интенсивность обработки отверстий контролируют по деформации колец после их разрезки шлифовальным кругом толщиной до 1 мм. Толщина колец зависит от способа упрочняющей обработки. При раскатывании и дорновании исходная толщина колец составляет 10 мм. После упрочняющей обработки кольца протачиваются до толщины в 1,5 мм при внутреннем диаметре кольца до 30 мм или до 2 мм при диаметре свыше 30 мм. При обработке дробью толщина стенки кольца сразу принимается равной конечной и, как правило, не превышает 2 мм. Операция поверхностного упрочнения считается успешно выполненной, если расхождение кольца после разрезки составляет не менее 0,8 мм для отверстий диаметром до 30 мм, не менее 1,4 мм для отверстий диаметром 30-50 мм и не менее 2,5 мм для отверстий диаметром в 50-80 мм.

Выбор метода упрочнения поверхности деталей также зависит от технологической схемы обработки. При этом необходимо проанализировать данные о химическом составе и физико-механических свойствах обрабатываемого материала, требования по точности и шероховатости, предъявляемые к детали, наличия и вида покрытия, необходимой степени поверхностного упрочнения.

Глубина упрочненного − наклепанного − слоя также зависит от способа упрочнения. Так при дробеструйной обработке глубина упрочненного слоя достигает 0,7 мм, при обкатке роликами − до 15 мм.

Поверхностное упрочнение выполняется в качестве заключительной операции на деталях, прошедших механическую и термическую обработку.

 

Таблица 2. Влияние упрочнения на малоцикловую усталость сталей

Способ обработки	Число циклов до разрушения
	30ГСНА	08Х17Т
Шлифование	7400	6900
Виброшлифование	19 100	19 700
Вибронаклеп	21 000	20 300
Обдувка дробью	24 000	22 300
Пневмодинамический наклеп	-	35 500
Обкатка роликом	24 500	42 000
Обдувка металлическим песком	12 500	11 200

 

Гладкие образцы, n = 10 циклов в минуту, σ_мах = 1360 МП

2. Для изготовления машинных метчиков и плашек выбрана сталь Р9Ф5. Укажите состав; назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирующих элементов на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки. Опишите микроструктуру и свойства стали после термической обработки.

Сталь Р9Ф5 − сталь инструментальная быстрорежущая

Таблица 3. Характеристика стали Р9Ф5

Марка:	Р9Ф5
Классификация:	Сталь инструментальная быстрорежущая
Применение:	для изготовления инструментов простой формы, не требующих больших объемов шлифовальных операций при обработке материалов с повышенными абразивными свойствами; чистовых инструментов простой формы при обработке легированных сталей и сплавов

 

Таблица 4. Химический состав в % стали Р9Ф5.

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Mo	W	V
1.4-1.5	До 0.5	До 0.4	До 0.4	До 0.03	До 0.03	3.8-4.4	До 1	9-10.5	4.3-5.1

 

Таблица 5. Температура критических точек стали Р9Ф5.

Ac1=820, Ac3(Acm)=850, Ar1=730
Твердость стали Р9Ф5 после отжига	HB=269

 

Таблица 6. Физические свойства стали Р9Ф5.

T	E 10-5	a106	l	r	C	R 109
Град	МПа	1/Град	Вт/(м·град)	кг/м3	Дж/(кг·град)	Ом·м
20				8200

 

Таблица 7.Обозначения

Физические свойства:
	T	- Температура, при которой получены данные свойства, [Град]
	E	- Модуль упругости первого рода , [Мпа]
	a	- Коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20 - T ) , [1/Град]
	l	- Коэффициент теплопроводности (теплоемкость стали) , [Вт/(м·град)]
	r	- Плотность стали , [кг/м3]
	C	- Удельная теплоемкость стали (диапазон 20o - T ), [Дж/(кг·град)]
	R	- Удельное электросопротивление, [Ом·м]